CC BY
22
Bulletin AB RGS [Izvestiya AO RGO]. 2018. No 3 (50)
Раздел 2 ГИДРОЛОГИЯ. КЛИМАТ
Section 2 HYDROLOGY. CLIMATE
УДК 556.552
ВОДНЫЙ БАЛАНС ОЗЕРА СВЕТЛОЕ (ЛЕБЕДИНОЕ)
В.П. Галахов1-2, М.С. Губарев1
1 Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул, E-mail: galahov@iwep.ru 2Алтайский государственный университет, Барнаул
Озеро Светлое является памятником природы. При незначительном поверхностном питании оно имеет значительный сток в виде ручья. Озеро уникально еще и тем, что оно не зимой замерзает. Рассмотрены средние многолетние составляющие водного баланса озера Светлое. Вероятно, поступление воды в водоем обусловлено значительным подземным питанием, при этом температура воды составляет около 7 °С, очевидно поэтому озеро и не замерзает.
Ключевые слова: озеро Светлое (Лебединое), водный баланс.
Дата поступления 9.07.2018
Озеро Светлое является памятником природы. Здесь учрежден государственный природный комплекс заказник «Лебединый» с целью сохранения единственной на Алтае зимовки лебедей. Оно расположено в бассейне р. Кокша на Предалтайской равнине в районе луговых степей Северного Алтая и древней террасы реки Катунь. В административном отношении находится на территории Алтайского края в Советском районе южнее поселка Урожайный. Озеро уникальное тем, что оно не замерзает, что при небольшой площади водосбора, при отсутствии впадающих ручьев (рек) и отрицательном балансе «осадки-испарение» озеро имеет обильное питание, что выражается в мощном вытекающем ручье из него.
Для того, чтобы разобраться в питании озера и не замерзании, нами было рассчитаны все члены уравнения водного баланса. Уравнение водного баланса сточного озера имеет вид [1]: V + V + V - V - V - V ± V=0
* пвх * пдз * осд * стк * пдз стк * исп. * ч-/5
где Vпвх - поверхностный приток, VПд3 -подземный приток, VоCд - осадки на по-
верхность водоема, Vстк - поверхностный сток из озера, VПд3 стк - подземный сток из озера, Vисп. - испарение с водной поверхности озера, ±V - изменение объема водоема.
Все члены уравнения водного баланса рассчитываются в объемах (м3). В случае если составляющие водного баланса рассчитываются в слое воды, в уравнение вводится зависимость, изменения площади озера от уровня стояния его зеркала, и все составляющие определяются применительно к площади водоема. Несмотря на кажущуюся простоту уравнения водного баланса, расчет его отдельных составляющих весьма сложен и может быть подвержен значительным ошибкам [2]. Все зависит от конкретно решаемой задачи. В нашем случае рассматриваются современные составляющие среднего, многолетнего водного баланса.
Рассмотрим расчет отдельных составляющих уравнения водного баланса и ошибки, появляющиеся в результате расчетов.
Поверхностный приток и сток из озера
Прямых наблюдений за поверхностным как притоком, так и оттоком из озера не проводилось. Для оценки среднего многолетнего слоя стока были использованы бассейны-аналоги с площадью водосборов менее 1000 км , по которым имеются материалы прямых наблюдений (табл. 1). При этом большие площади водосборов не рассматривались, поскольку их речные русла врезаны в рельеф существенно глубже и дренируют более значительное количество подземных вод.
Поскольку период наблюдений по двум последним водосборам невелик, то средний многолетний сток находился с учетом поправки на водность 1958 г. по реке Солтонке (01958/0ср.мног. =1,06). Полученные материалы (см. табл. 1) позволили установить достаточно достоверную зависимость поверхностного стока от абсолютной высоты водосбора (рис. 1), которая использовалась для
Характеристика бассейнов
оценки поверхностного притока в озеро (площадь его склонов).
Подземный приток и отток
Подземный приток и отток являются наиболее трудно оцениваемыми составляющими водного баланса. Как правило, подземный приток (в горах это грунтовые воды) рассчитывается как остаточный член уравнения. Поскольку подавляющая часть водосборного бассейна озера Светлое (Лебединое) имеет значительные уклоны, считали, что грунтовые воды с водосборного бассейна быстро выклиниваются в речную сеть и стекают с поверхностным стоком, т.е. эта величина принята равной нулю.
Подземный отток, к сожалению, были вынуждены принять также равным нулю, поскольку никаких экспериментальных материалов по его оценке нет. Необходимо отметить, что скорость грунтовых вод напрямую зависит от уклона русла, а уклоны на выходе из озера весьма малы по сравнению со склонами водосбора.
Таблица 1 (средний многолетний сток) [3 -4]
Река, пост Период наблюдений Площадь водосбора, км2 Средняя высота водосбора, м Слой стока, мм
Солтонка, Солтон 1946-1980 126 330 220
Чапша, Красногорское 1963-1980 856 390 336
Сухая Чемровка, Воеводское 1957-1958 103 310 219
Озерая, Н.Озерное 1957-1958 163 232 49
Рис. 1. Зависимость среднего многолетнего слоя стока от абсолютной высоты водосбора
(для водосборов с площадью менее 1000 км2)
Рис. 2. Схема питания реки Кокши водами реки Катуни [5]:
1 - гидроизогипсы (по данным сейсморазведки и бурения 1976 г. на участке Шульгинском), 2 - зоны интенсивного движения подземных вод по данным ЕП (только на участке, где имелась съемка ЕП1976 г.), 3 - геологические границы, 4 - направления движения подземных вод, 5 - разломы, 6 - отметки урезов воды, м.
Вышеприведенное обоснование касается условий формирования подземного стока с площади водосбора бассейна озера Светлое. Однако как указано в сообщении В.М. Рычкова, С.И. Рыч-ковой и В.Т. Логинова [5] подавляющая часть стока как в озеро, так и из озера в теплый период формируется за счет подземного потока из реки Катуни (рис. 2). Авторы отмечают: «1). Приток из Катуни распадается на ряд «струй», обусловленных неоднородностями строения водоносных горизонтов. Хорошо
«промытые» галечники, с коэффициентами фильтрации до 20-50 м/сут., чередуются с островками и грядами заиленных с суглинками и песками. Соответственно, поток идет по первым, обходя вторые. В геофизических полях плохо проницаемые отложения отражаются пониженными сопротивлениями и отсутствием отрицательных аномалий естественного поля. Еще большая неоднородность фильтрационных свойств в палеозойских образованиях. Верхняя часть их разреза находится в зоне вы-
ветривания, что обуславливает площадную фильтрацию, но с небольшими коэффициентами (до 1 м/сут.). Более проницаемы зоны разломов, где коэффициенты фильтрации на порядок или два выше; 2). Можно оценить абсолютные скорости движения подземного потока. Они будут (при уклонах 1,2-1,3 м/км) несколько выше коэффициентов фильтрации - до 60-70 м/сут. Это на три порядка меньше скорости движения воды в р. Катуни, составляющей 2-3 м/сек.; 3) На питание Кокши расходуется, как было показано выше, до половины км3 воды в год. Расход Катуни 500-600 м /с, или 15,7-18,9 км в год. Следовательно, на питание р. Кокши идет 2,5-3,2 % расхода Катуни».
Осадки на поверхность водоема
В наших расчетах осадки принимались равными средним многолетним величинам по ближайшей метеостанции: совхоз «Урожайный» (табл. 2).
Высотные отметки на территории бассейна озера изменяются незначительно: уровень зеркала озера - 209,9 м; максимальная отметка (сопка Талицкая) - 267,0 м. Таким образом, можно принять, что осадки в бассейне озера соответствуют осадкам по метеопосту совхоз «Урожайный».
Поскольку озеро имеет небольшую площадь (0,255 км ), редукционный коэффициент на уменьшение осадков над водной поверхностью (как это рекомендуется в [2]) не вводился. Твердые осадки на поверхность озера (ноябрь-март) и осадки апреля, формирующие половодье, учитывались при расчетах поверхностного стока. Поэтому осадки на вод-
Средние многолетние меся по метеопостам Сростки и
ную поверхность рассчитывали лишь за теплый период: с мая по октябрь.
Испарение с водной поверхности
Выше были рассмотрены, в основном, величины приходных составляющих в озеро. Расходными составляющими для него являются испарение с водной поверхности и сброс вод в виде поверхностного стока.
Можно найти множество различных расчетных формул для расчета испарения с водной поверхности, например [8]. Однако во всех формулах кроме температуры воздуха используется, как минимум, скорость ветра и давление водяного пара (что не наблюдалось на метеопосту совхоз «Урожайный»). Поэтому для расчетов более пригодны графики расчета испарения с поверхности воды, снега и льда в зависимости от температуры воздуха, разработанные А. Майром [9]. Графики были аппроксимированы соответствующими уравнениями [10].
Для ноября, декабря, января, августа, сентября, октября: Е=29,65+2,667 * Тср.мес+ 0,063 * Т%.мес. (1)
Для февраля, марта, апреля: Е=41,409+4,222 * Тср.мес+0,064 * Т%.мес. (2)
Для апреля, мая, июня, июля: Е=28,34+1,618 * Тср.мес+0,109 * Т%.мес. (3)
Также как и для расчета объемов воды, поступающих в озеро от выпадения жидких осадков, испарение с водной поверхности рассматривали лишь для теплого периода (с мая по октябрь), холодный и во время половодья (ноябрь-апрель) испарение учитывалось косвенно при расчете стока.
Таблица 2
ные осадки и температуры совхоз «Урожайный» [6-7]
Месяц Год
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Сростки, осадки, мм
34 27 34 51 60 76 73 74 57 71 68 55 680
Совхоз «Урожайный», осадки, мм
32 26 32 52 63 71 77 73 56 71 58 51 661
Совхоз «Урожайный», температура воздуха, град.С
-18,5 -17,1 -10,0 0,9 10,6 16,6 18,4 16,7 10,8 2,9 -8,6 -15,1 0,6
Обсуждение полученных результатов
Прежде чем переходить к обсуждению результатов, рассмотрим ход поверхностного стока во времени. В качестве бассейна-аналога использовали бассейн реки Солтонки в створе Солтон (рис. 3). Как видно из гидрографа, основной сток (весеннее половодье) наблюдается в период третьей декады апреля - второй декады мая. В нашем случае примем, что период половодья был в апреле.
Вычисляли средний сток апреля, поскольку он должен составлять 90 % годового стока. Поверхностный сток составил 570 тыс. м3, разница осадки (52 мм) - испарение (30 мм) с акватории озера был 7930 тыс.м3. Тогда средний расход в апреле должен составить 3,17 м3/сек.
Непосредственные измерения расхода на выходе из озера в основном потоке в конце апреля 2017 г. показали, что он равен 2,32 м3/сек. По экспертной оценке дополнительно через плотину фильтруется не менее 10 % основного потока. Таким образом, выполненные расчеты стока в апреле и непосредственные измерения показали вполне сопоставимые результаты (одинаковый порядок расходов), что свидетельствует о достоверности наших вычислений.
Рассмотрим часть составляющих водного баланса озера Светлое в теплый период (табл. 3). Как видно из расчетов, сумма осадков за теплый период значительно меньше испарения. В данной схеме расчета не учитывалась транспи-рация высшей водной растительностью, поскольку она отсутствует из-за того, что озеро достаточно холодное (около 7 °С).
И = ^Н ср.)
2
г
(0 400
о
о
'К О 300
О
X 1- 200
0)
о
о 100 у = 1.7963« - 360.73
X Р2 = 0.9825
ч д
0) 1 1
о. о 200 250 300 350 400
Средняя высота водосбора, м
0 100 200 300 400
О
дни (январь-декабрь)
Рис. 3. Хронологический ход расходов во времени реки Солтонки в створе Солтон
(площадь водосбора 126 км2), 1964
Таблица 3 Осадки и испарение озера Светлое за средний многолетний период, мм
Период Уосадков Уиспар. ¿V
Май 63 58 +5
Июнь 71 85 -14
Июль 77 95 -18
Август 73 92 -19
Сентябрь 56 66 -10
Октябрь 71 38 +33
Балансовый год 411 434 -23
Попытаемся оценить влияние температуры воды на испарение. Как указано в гидрофизике [11, с. 24]: «Удельная теплоемкость воды (количество теплоты, необходимое на нагревание 1 кг дистиллированной воды на 1°С) слабо зависит от температуры, поэтому в практических расчетах ее значение может быть принято постоянным, равным 4,2 кДж/(кг град. С)». Вода в аналогичных озерах (для которых собственно и разработаны формулы для расчета испарения) имеет поверхностную температуру примерно на 10° С выше, чем в озере Светлом. Таким образом, затраты на нагревание составят примерно 42 кДж/кг. В тоже время удельную теплоту испарения воды можно найти по выражению [11, с. 25]:
Ьи = (25 - 0,0240 105
(4)
где 25 105 Дж/кг - удельная теплота испарения при температуре поверхности воды, равной 0 °С; 1;п - температура поверхности испаряющейся воды.
В нашем случае 1;п равно 7 °С, а Ьи, примерно, 24,9 102 кДж/кг. Величина, как видно, несопоставимо больше 42 кДж/кг, поэтому ошибка в испарении будет незначительной. Таким образом, суммарный баланс в летний период составляющей «осадки-испарение» для озера составит -23 мм, а ±У будет равно -5865 тыс. м .
Поверхностный сток взят равным нулю, т.к. подавляющая часть талых и
Список литературы
дождевых вод с водосбора стекает в период половодья, т.е. в апреле. Разница осадки-испарение должна компенсироваться подземным притоком, чтобы зеркало озера держалось примерно на одном уровне, или 5865 тыс. м3/15,81 млн. сек. = 0,371 м3/сек.
Таким образом, приток из подземных источников в озеро на основе экспертной оценки должен составлять значительную величину: не менее 400 л/сек. При этом температура воды составляет около 7 °С. Очевидно, поэтому озеро и не замерзает.
Однако вышеприведенные расчеты проведены для случая, когда поверхностный отток из озера должен быть равен нулю. Экспериментальные наблюдения в апреле, июле и ноябре показали, что поверхностный сток из озера составляет немногим более 2 м3/сек. Скорее всего, поступление воды в озеро обусловлено значительным подземным питанием.
Заключение
Материалы наблюдений за уровнем озера Светлое в 2017 г. показали, что значительных колебаний его зеркала не происходит. За теплый период амплитуда составила около 9 см. Учитывая изменение поверхностного стока в бассейнах-аналогах (например, Солтонка-Солтон), необходимо отметить, что как в холодный период, так и в теплый подземное питание озера составляет подавляющую часть. Очевидно, в данном случае его величину невозможно обосновать фильтрацией талых и дождевых вод с водосборного бассейна в поч-вогрунты. Работает какой-то внешний источник питания, например (как обосновано гидрогеологий), фильтрация по древнему руслу из Катуни, поскольку долина реки Кокша выработана не ею, а более значительным водотоком.
1. Викулина З.А. Водный баланс озер и водохранилищ Советского Союза. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 176 с.
2. Грани гидрологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - 448 с.
Bulletin AB RGS [Izvestiya AO RGO]. 2018. No 3 (50)
3. Ресурсы поверхностных вод СССР. Основные гидрологические характеристики (за 1963-1970 гг. и весь период наблюдений). Т. 15. Вып. 1. Верхняя и средняя Обь. -Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 544 с.
4. Государственный водный кадастр. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Т. 1. Вып. 10. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 492 с.
5. Рычков В.М., Рычкова С.И. Феномен реки Кокши на Алтае // Природные ресурсы Горного Алтая // Геология, геофизика, гидрогеология, геоэкология, минеральные и водные ресурсы. - 2004. - № 2. - http://altay-geojournals.ru/wp-content/uploads/2015/02/2-20.pdf.
6. Справочник по климату СССР. Вып. 20. Ч. II. Температура воздуха и почвы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1965. - 378 с.
7. Справочник по климату СССР. Вып. 20. Ч. IV. Влажность воздуха, атмосферные осадки, снежный покров. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 370 с.
8. Братсерт У.Х. Испарение в атмосферу. Теория, история, приложения. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 352 с.
9. Апполов Б.А. Учение о реках. - М.: МГУ, 1963. - 424 с.
10. Галахов В.П. Водный баланс озера Манжерок // Мир науки, культуры, образования. - 2008. - № 1 (8). - С. 26-29.
11. Винников С.Д., Проскуряков Б.В. Гидрофизика. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 248 с.
References
1. Vikulina Z.A. Vodny balans ozer i vodokhranilishch Sovetskogo Soyuza. - L.: Gidrometeoizdat, 1979. - 176 s.
2. Grani gidrologii. - L.: Gidrometeoizdat, 1980. - 448 s.
3. Resursy poverkhnostnykh vod SSSR. Osnovnye gidrologicheskiye kharakteristiki (za 1963-1970 gg. i ves period nablyudeny). T. 15. Vyp. 1. Verkhnyaya i srednyaya Ob. - L.: Gidrometeoizdat, 1975. - 544 s.
4. Gosudarstvenny vodny kadastr. Mnogoletniye dannye o rezhime i resursakh poverkhnostnykh vod sushi. T. 1. Vyp. 10. - L.: Gidrometeoizdat, 1984. - 492 s.
5. Rychkov V.M., Rychkova S.I. Fenomen reki Kokshi na Altaye // Prirodnye resursy Gornogo Altaya // Geologiya, geofizika, gidrogeologiya, geoekologiya, mineralnye i vodnye resursy. - 2004. - №2. - http://altay-geojournals.ru/wp-content/uploads/2015/02/2-20.pdf.
6. Spravochnik po klimatu SSSR. Vyp. 20. Ch. II. Temperatura ... - L., 1965. - 378 s.
7. Spravochnik po klimatu SSSR. Vyp. 20. Ch. IV. Vlazhnost vozdukha, atmosfernye osadki, snezhny pokrov. - L.: Gidrometeoizdat, 1969. - 370 s.
8. Bratsert U.Kh. Ispareniye v atmosferu. Teoriya, istoriya, prilozheniya. - L., 1985. - 352 s.
9. Appolov B.A. Ucheniye o rekakh. - M.: MGU, 1963. - 424 s.
10.Galakhov V.P. Vodny balans ozera Manzherok // Mir nauki, kultury, obrazovaniya. -2008. - № 1 (8). - S. 26-29.
11.Vinnikov S.D., Proskuryakov B.V. Gidrofizika. - L.: Gidrometeoizdat, 1988. - 248 s.
WATER BALANCE OF LAKE SVETLOE (LEBEDINOE) V.P. Galakhov1-2, M.S. Gubarev1
institute for Water and Environmental Problems SB RAS, Barnaul, E-mail: galahov@iwep.ru
2Altai State University, Barnaul
Lake Svetloe is a natural monument. Having a dcarce surface water supply, it has a significant flow in the form of a stream. The lake is unique since it does not freeze in winter. The average long-term components of the water balance of Lake Svetloe are considered. Probably the flow of water into the lake occurs due to the significant groundwater inflow at water temperature around 7 °C. Obviously, this is the reason of why the lake does not freeze.
Key words: Lake Svetloe (Lebedinoe), water balance.
Received July 9, 2018
